一种基于SVPWM的变流器电平控制方法与流程

本发明涉及变流器电平控制技术领域，特别涉及一种基于svpwm的变流器电平控制方法。

背景技术：

在大功率逆变器应用场合，多电平变流器由于其开关器件承受的电压低、输出电压谐波含量小、开关频率低等优点，得到了越来越广泛的应用。三电平变流器是常应用的一种多电平开关结构，相对应的采用三电平调制方法对电平的输出电压进行控制。

三电平调制方法常采用空间电压矢量脉宽调制(svpwm)和正弦脉宽调制(spwm)，空间电压矢量脉宽调制(svpwm)和正弦脉宽调制(spwm)是把三相逆变器的目标输出电压在αβ0坐标系中分解为空间电压矢量，并利用不同的空间电压矢量组合去逼近目标空间电压矢量；与传统的正弦脉宽调制(spwm)相比，空间电压矢量脉宽调制(svpwm)具有相对较高的直流电压利用率，能获得相对较好的输出波形。但是，基于现有svpwm算法的控制，三相桥臂的输出电压在一个开关周期内同时存在正、负、零三种电平，这样就导致变流器的开关管动作次数较多，开关管具有很大的损耗，进而导致三电平变流器出现工作过程损耗较大、输出波纹增大、能量利用率低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于svpwm的变流器电平控制方法，以解决现有技术存在的变流器电平控制过程损耗较大、输出波纹增大、能量利用率低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于svpwm的变流器电平控制方法，包括如下步骤：

步骤1，扇区选择；

确定变流器的三相桥臂形成的空间电压矢量中目标电压所在的扇区位置；所述扇区包括中扇区，所述中扇区有一个冗余矢量；

步骤2，矢量选择；

根据步骤1确定的扇区进行矢量选择；

步骤3，矢量时间片计算；

将步骤2中选择的矢量所对应的空间电压矢量合成目标电压矢量；

步骤4，矢量组合方式选择与中点电位控制；

根据步骤3对矢量时间片的计算结果，处理得到扇区的矢量组合方式；然后根据对每种矢量组合方式的中点平衡因子的计算结果，确定选择最有利于中点电位平衡的矢量组合方式，所述最有利是指中点平衡因子的绝对值最大；

步骤5，矢量组合的控制顺序确定；

基于步骤4中选择的最有利于中点电位平衡控制的矢量组合方式，对目标矢量进行排列，选择igbt动作次数最少的排列顺序作为控制顺序；

步骤6，根据确定的所述控制顺序进行变流器输出电平的控制。

进一步的，步骤4中当扇区为中扇区时，所述处理是指通过排除冗余矢量的方式进行确定矢量组合。

进一步的，中扇区通过排除冗余矢量的方式进行确定矢量组合的步骤包括；

(1)列举中扇区的所有矢量组合方式：

(2)通过排除冗余矢量的方式，将所有矢量组合方式中一个开关周期内同时存在正电平、负电平和零电平的矢量组合进行排除；

(3)根据排除结果确定所述中扇区的矢量组合方式。

进一步的，所述步骤1将三电平桥臂输出电压的27个空间电压矢量在gh平面坐标系中形成三角形扇区；通过对扇区选择以确定目标电压所在的扇区位置。

进一步的，步骤1中的扇区还包括长扇区和短扇区，所述长扇区无冗余矢量；所述短扇区有2个冗余矢量。

进一步的，步骤4中，当扇区为短扇区时，所述处理是指通过调整直流侧电压避免目标电压矢量进入短扇区。

进一步的，所述步骤3中空间电压矢量合成的计算公式为：

vr＝vxtx+vyty+vztz

式中：vr为目标电压矢量；vx为x方向的电压矢量；vy为y方向的电压矢量；vz为z方向的电压矢量；tx为x方向作用时间相对于采样周期的百分比；ty为y方向作用时间相对于采样周期的百分比；tz为z方向作用时间相对于采样周期的百分比。

进一步的，步骤5中，空间电压矢量为3个时，合成的目标电压矢量有6种矢量排列方式；空间电压矢量为4个时，合成的目标电压矢量有24种矢量排列方式。

与现有技术相比，本发明能够实现的突出的有益效果是：

本发明基于svpwm的变流器电平控制方法，通过排除冗余矢量和调整直流侧电压的方式控制桥臂电平，使得目标电压不进入短扇区，以实现变流器桥臂电平的输出控制。使得每相桥臂的输出电平在一个开关周期内不会同时出现正电平、负电平和零电平，也就说说，仅会在一个开关周期输出正电平和零电平，或者输出负电平和零电平，减小了脉冲输出电压的变化情况和频率，因此，本发明基于svpwm的变流器电平控制方法，能够减小变流器电平控制过程中的开关损耗、减少输出电压的波纹，从而能够提高变流器的能量利用率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明三相四线制三桥臂中线直连拓扑结构图；

图2为本发明gh坐标系下的三电平空间电压矢量图；

图3为本发明基于svpwm的变流器电平控制方法流程图；

图4为现有svpwm一相桥臂电压波形图；

图5为本发明基于svpwm的变流器电平控制方法一相桥臂电压波形。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

如图1所示的三相四线制三桥臂中线直连拓扑结构，该变流器的拓扑结构包括三相桥臂，每个桥臂上有两个开关管，每个桥臂上两个开关管中点的电压为该相的相电压，即该相桥臂的输出电压，每相桥臂可输出正负零3种电平，三相桥臂可形成27个空间电压矢量，abc坐标系与αβ0坐标系有固定的转换关系，三电平空间矢量如表1所示。

表1三电平空间矢量对应转换关系

现有的svpwm控制算法主要包括扇区选择、矢量选择、矢量时间片计算及列出矢量组合方式、矢量组合方式选择与中点电位控制、矢量发送顺序优化。其中，矢量组合方式选择与中点电位控制过程主要是考虑三电平三桥臂直流侧电容电压不平衡而对三电平三桥臂的直流侧的直流电压进行建模与分析，然后确定中点平衡因子，通过中点平衡因子作为理论依据对中点电位进行三维矢量调制策略有效控制。基于现有的svpwm控制算法，在部分扇区的矢量选择中，使得在选择的某些矢量组合方式下，中点电位控制结果下，在一个开关周期内输出正、负、零三种电平信号。

为了减少一个开关周期内的电平信号数量，本发明主要针对矢量组合方式选择与中点电位控制这一步骤进行改进创新，具体是通过排除冗余矢量和调整直流侧电压的方式控制桥臂电平，使得目标电压不进入短扇区，以实现变流器桥臂电平的输出控制。

本发明对于矢量组合方式选择与中点电位控制主要为：扇区13～24共12个扇区无冗余矢量，每个扇区只有1种矢量组合，abc三相在同一开关周期内均只出现正电平、零电平或负电平、零电平，不会出现上述问题，无需特殊处理；扇区7～12共6个扇区有1个冗余矢量，每个扇区有4种矢量组合。排除2种1个开关周期内同时存在正负零3种电平的矢量组合，矢量组合剩下一半，此时abc三相在同一开关周期内均只可能出现正电平、零电平或负电平、零电平；扇区1～6共6个扇区有2个冗余矢量，每个扇区有12种矢量组合。针对12种矢量组合，无法保证不同时出现正负电平。

svpwm算法本身都比较复杂，本实施例仅重点说明本发明的矢量组合方式选择与中点电位控制内容，其余部分为现有技术，只进行简要介绍。因此，本发明基于svpwm的三电平变流器电平控制方法如图3所示，包括以下步骤：

步骤1，扇区选择

如图3所示，27个空间矢量在gh平面坐标系中可形成24个三角形扇区，扇区按从里到外逆时针标号为1～24扇区，扇区选择是判断目标电压具体位于哪一个扇区。

gh坐标系与αβ0坐标系有固定的转换关系，采用非正交gh坐标系的简化算法，此算法可以大大简化扇区选择所需要的计算量；而且，无需扇区判断，可避免复杂的三角函数运算，易于实现多电平系统的实时控制。

步骤2，矢量选择

gh坐标系中的空间电压矢量仅仅用于扇区选择，矢量合成使用αβ0坐标系中的三电平空间矢量。三相目标电压标幺化后变换到αβ0坐标系得到目标电压矢量vr。αβ0坐标系中的目标电压矢量最终由27个空间矢量中的3或4个进行合成，其中x方向矢量需要1个矢量vx，y方向矢量需要1个矢量vy，z方向矢量需要1或2个矢量vz，根据步骤1选择的扇区就能确定有哪些矢量。

对于不同的扇区，x、y、z方向定义分别如下：

对于扇区1～6，z方向矢量为s1、s2、s3，x方向矢量为逆时针旋转遇到的首端矢量，y方向矢量为逆时针旋转遇到的末端矢量；

对于扇区13～24，z方向矢量为该扇区与扇区1～6交点对应的矢量，x方向矢量为逆时针旋转遇到的首端矢量，y方向矢量为逆时针旋转遇到的末端矢量；

对于扇区7～12，z方向矢量为逆时针旋转遇到的首端矢量，x方向矢量为该扇区与空间矢量外侧正六边形交点对应的矢量，y方向矢量为逆时针旋转遇到的末端矢量。

步骤3，矢量时间片计算

矢量选择好之后，矢量均需各自作用一定时间，使用空间电压矢量合成目标电压矢量，合成的计算公式为：

vr＝vxtx+vyty+vztz

式中：vr为目标电压矢量；vx为x方向的电压矢量；vy为y方向的电压矢量；vz为z方向的电压矢量；tx为x方向作用时间相对于采样周期的百分比；ty为y方向作用时间相对于采样周期的百分比；tz为z方向作用时间相对于采样周期的百分比。

扇区13～24的x、y轴均只有1个矢量，z轴则有2个大小相等方向相反的矢量，无冗余矢量。

扇区7～12的y、z轴均有2个矢量，x轴则有1个矢量，有1个冗余矢量。根据选取的冗余矢量不同，分成4种矢量组合方式。

扇区1～6的x、y轴均有2个矢量，z轴则有3个矢量，共有2个冗余矢量。根据选取的冗余矢量不同，分成12种矢量组合方式。

步骤4，矢量组合方式选择与中点电位控制：

扇区1～12均存在冗余矢量，有多种矢量组合方式，每一种矢量组合方式对于中点电位控制作用不同，因此，需要通过计算中点平衡因子，确定出最有利于中点电位平衡的矢量组合方式作为选定的矢量组合。当中点平衡因子的绝对值越大，增大或抑制偏移的效果就越明显，即为最有利于中点电位平衡的矢量组合。

基于对不同扇区的分析进行选择：

扇区13～24共12个扇区为长扇区，无冗余矢量，每个扇区只有1种矢量组合，如表2所示。

表2扇区13–24的矢量组合及输出电平

通过对扇区13-24的矢量组合进行观察发现，abc三相在同一开关周期内均只出现正电平、零电平或负电平、零电平，不会出现上述问题。例如，扇区13对应a相电平为(1110)，即a相只出现正电平和零电平；扇区13对应b相电平为(-100-1)，即b相只出现负电平和零电平；扇区13对应c相电平为(-1-10-1)，即c相也只出现负电平和零电平，也就是说扇区13不会存在在一个开关周期内出现正电平、负电平和零电平。

扇区7～12共6个扇区为中扇区，有1个冗余矢量，每个扇区有4种矢量组合。如表3所示为扇区7-12的矢量组合及输出电平，表4所示为扇区7-12的冗余矢量及其矢量组合方式。

表3扇区7～12矢量组合及输出电平

表4扇区7～12矢量组合方式

首先需要说明的是，对于表4中序号1的矢量组合方式，vxvypvzp/vzn与时间片tz的符号和数值有关，具体为vxvypvzp、vxvypvzn、vxvypvzpvzn中的其中一种组合情况；同理序号2的矢量组合方式vxvynvzp/vzn，具体可能为vxvynvzp、vxvynvzn、vxvynvzpvzn中的其中一种组合情况。

通过对扇区7-12的矢量组合进行观察发现：

扇区7、扇区9、扇区11中同时出现矢量vyp和矢量vzn，则导致扇区7对应b相电平、扇区9对应c相电平和扇区11对应a相电平会同时出现正电平、负电平和零电平，对应的冗余矢量及其矢量组合关系如表4中的序号1和序号4。

例如，选取表4中的序号4对应的矢量组合，扇区7同时出现矢量vyp和矢量vzn，此时选中矢量vxvypvynvzn，b相输出电平为(010-1)。这样就会同时出现正电平、负电平和零电平，基于本发明的控制要求，即不允许桥臂输出电压在一个开关周期内同时存在正负零三种电平，就需要排除1个开关周期同时存在正电平、负电平和零电平的矢量组合，因此，观察表4的矢量组合发现，序号1和序号4因同时出现矢量vyp和矢量vzn，所以序号1和序号4的矢量组合方式不可使用，仅能使用序号2和序号3的矢量组合，这样就使矢量组合剩下一半，能够保证abc三相在同一开关周期内均只可能出现正电平、零电平或负电平、零电平。

扇区8、扇区10、扇区12中同时出现矢量vyn和矢量vzp，则导致扇区8对应a相电平、扇区10对应b相电平和扇区12对应c相电平同时出现正电平、负电平和零电平，对应的冗余矢量及其矢量组合关系如表4中的序号2和序号3。

因此，基于上述的分析，需要排除1个开关周期同时存在正电平、负电平和零电平的矢量组合，使矢量组合剩下一半，才能保证abc三相在同一开关周期内均只可能出现正电平、零电平或负电平、零电平。

扇区1～6共6个扇区为短扇区，有2个冗余矢量，每个扇区有12种矢量组合。如表5所示为扇区1-6的矢量组合及输出电平，表6所示为扇区1-6的冗余矢量及其矢量组合方式。

表5扇区1～6矢量组合及输出电平

表6扇区1-6矢量组合方式

首先需要说明的是，对于表6中序号1的矢量组合方式vxpvypvzp/vznvz0表示有两种组合情况，分别为vxpvypvzpvz0或vxpvypvznvz0，具体选择哪一种根据计算的时间片tz决定，若tz为正，则选择vxpvypvzpvz0，若tz为负，则选择vxpvypvznvz0。同理，序号2的矢量组合方式vxnvypvzp/vznvz0，具体可能为vxnvypvznvz0或vxnvypvzpvz0中的其中一种组合情况。

通过对扇区1-6的矢量组合进行观察分析发现，针对其存在的12种矢量组合方式而言，无法通过排除冗余矢量的方法保证不同时出现正电平、负电平和零电平，但可以通过调整直流侧电压的方式使得目标电压不进入短扇区。如果在对短扇区进行控制后，目标电压进入了中扇区或者长扇区，就按照上述记载的对中扇区的控制和对长扇区的控制执行后续控制过程。

步骤5，矢量发送顺序优化：

根据时间片计算结果不同，目标电压矢量可能由3个或4个空间电压矢量合成，3个空间电压矢量合成时对应6种矢量排列情况，4个空间电压矢量合成时对应24种矢量排列情况。针对所有的矢量排列情况，分别计算其igbt动作次数，选择最小igbt动作次数作为最终矢量发送顺序。

对于本发明所提变流器电平控制方法，进行了pscad仿真验证。首先建立pscad仿真模型如图1所示，仿真模型主要参数如下：三相电压源额定线电压390v，对应相电压约为225v，系统频率50hz，电源电感100μh，直流侧电容值为2台11480μf的电容器串联。逆变器采用lcl滤波，igbt侧电感为0.3mh，电网侧电感为0.065mh，滤波电容15μf，阻尼电阻0.75ω。逆变器开关频率为10khz即控制周期为100μs，并网输出100a基波无功电流，采用现有svpwm控制算法控制变流器输出电平时，其对应的a相桥臂输出电压波形如图4所示，常规svpwm控制算法在目标电压过零点附近的16个控制周期内，每个100μs开关周期内均输出正负零3个电平，纹波增加，损耗增大；采用本发明基于svpwm控制算法进行改进控制变流器输出电平时，其对应的a相桥臂输出电压波形如图5所示，基于svpwm的三电平变流器电平控制方法在目标电压过零点附近每个100μs开关周期内均只输出正电平、零电平2个电平或负电平、零电平2个电平，输出电平符合预期要求，能够保证在一个开关周期内部不会同时出现正电平、负电平和零电平，从而减少了不同电平的跳变信号，进而能够减少波纹和损耗。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

通过本发明采用的基于svpwm算法的三电平变流器的控制方法，对于只有一种矢量组合即不存在冗余矢量组合的扇区不进行处理，对于有4种矢量组合即1个冗余矢量的扇区进行排除处理，而对于有12种矢量组合即3个冗余矢量的扇区进行调整直流侧电压的方式进行处理；从而能够保证整个扇区不会同时出现正电平、负电平和零电平，减少了不同电平的跳变过程产生的波纹，也能够减小开关的损耗；随着开关损耗的减小就能减小变流器控制过程中不必要的发热量，从而能够较少能量损失、减少电机驱动力，提供变流器的使用性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。